Analýza pohybu - Motion analysis
Analýza pohybu se používá v počítačovém vidění , zpracování obrazu , vysokorychlostní fotografie a počítačové vidění , že studie metody a aplikace, ve kterých jsou dvě nebo více po sobě jdoucích snímků z obrazových sekvencí, např, vyrábí se videokamerou nebo vysokorychlostních kamer , jsou zpracovávány produkovat informace na základě zjevného pohybu v obrazech. V některých aplikacích je kamera vzhledem ke scéně fixována a objekty se ve scéně pohybují, v některých aplikacích je scéna víceméně fixní a kamera se pohybuje a v některých případech se kamera i scéna pohybují.
Zpracováním analýzy pohybu může být v nejjednodušším případě detekce pohybu, tj. Nalezení bodů v obraze, kde se něco pohybuje. Složitějšími typy zpracování může být sledování konkrétního objektu v obraze v čase, seskupování bodů, které patří ke stejnému tuhému objektu, který se pohybuje ve scéně, nebo určení velikosti a směru pohybu každého bodu v obraz. Informace, které jsou produkovány, se často vztahují ke konkrétnímu obrazu v sekvenci, což odpovídá konkrétnímu časovému bodu, ale pak závisí také na sousedních obrázcích. To znamená, že analýza pohybu může vytvářet časově závislé informace o pohybu.
Aplikace pohybové analýzy lze nalézt v poměrně rozmanitých oblastech, jako je dohled, medicína, filmový průmysl, bezpečnost automobilových nehod, balistické studie střelných zbraní, biologická věda, šíření plamene a navigace autonomních vozidel, abychom jmenovali několik příkladů.
Pozadí
Videokameru lze chápat jako aproximaci dírkové komory , což znamená, že každý bod na obrázku je osvětlen nějakým (obvykle jedním) bodem ve scéně před kamerou, obvykle pomocí světla, které bod scény odráží ze světelného zdroje. Každý viditelný bod ve scéně je promítán po přímce, která prochází clonou fotoaparátu a protíná rovinu obrazu. To znamená, že v určitém časovém okamžiku se každý bod na obrázku vztahuje ke konkrétnímu bodu ve scéně. Tento bod scény má polohu vzhledem ke kameře, a pokud se tato relativní poloha změní, odpovídá relativnímu pohybu ve 3D . Je to relativní pohyb, protože nezáleží na tom, zda se pohybuje bod scény nebo kamera nebo obojí. Teprve když dojde ke změně relativní polohy, je kamera schopna detekovat nějaký pohyb. Promítnutím relativního 3D pohybu všech viditelných bodů zpět do obrazu je výsledkem pohybové pole , popisující zdánlivý pohyb každého obrazového bodu ve smyslu velikosti a směru rychlosti daného bodu v obrazové rovině. Důsledkem tohoto pozorování je, že pokud je relativní 3D pohyb některých bodů scény podél jejich projekčních linií, odpovídající zdánlivý pohyb je nulový.
Kamera měří intenzitu světla v každém bodě obrazu, světelném poli. V praxi digitální fotoaparát měří toto světelné pole v diskrétních bodech, pixelech , ale vzhledem k tomu, že pixely jsou dostatečně husté, lze intenzity pixelů použít k reprezentaci většiny charakteristik světelného pole, které dopadá do obrazové roviny. Běžným předpokladem analýzy pohybu je, že světlo odražené od bodů scény se v čase nemění. V důsledku toho, v případě, že intenzita I byla pozorována v určitém okamžiku v obraze, v určitém okamžiku v čase, se stejnou intenzitou I budou sledovány v poloze, která je posunuta vzhledem k prvnímu v důsledku zdánlivého pohybu. Dalším běžným předpokladem je, že v detekované intenzitě přes pixely v obrázku existuje značné množství variací. Důsledkem tohoto předpokladu je, že pokud bod scény, který odpovídá určitému pixelu v obrázku, má relativní 3D pohyb, pak se intenzita pixelu pravděpodobně v průběhu času změní.
Metody
Detekce pohybu
Jedním z nejjednodušších typů analýzy pohybu je detekce obrazových bodů, které se vztahují k pohybujícím se bodům ve scéně. Typickým výsledkem tohoto zpracování je binární obraz, kde jsou všechny obrazové body (pixely), které se vztahují k pohybujícím se bodům ve scéně, nastaveny na 1 a všechny ostatní body jsou nastaveny na 0. Tento binární obraz je poté dále zpracován, např. šum, seskupte sousední pixely a označte objekty. Detekci pohybu lze provést několika způsoby; dvě hlavní skupiny jsou diferenciální metody a metody založené na segmentaci pozadí.
Aplikace
Analýza lidského pohybu
V oblasti medicíny , sportu, video sledování, fyzikální terapie a kineziologie se analýza pohybu člověka stala vyšetřovacím a diagnostickým nástrojem. Další podrobnosti o technologiích najdete v části o zachycení pohybu . Analýzu pohybu člověka lze rozdělit do tří kategorií: rozpoznávání lidské činnosti , sledování pohybu člověka a analýza pohybu těla a části těla.
Rozpoznávání lidské činnosti se nejčastěji používá pro video sledování , konkrétně automatické sledování pohybu z bezpečnostních důvodů. Většina úsilí v této oblasti závisí na přístupech stavového prostoru, ve kterých jsou sekvence statických poloh statisticky analyzovány a porovnávány s modelovanými pohyby. Přiřazování šablon je alternativní metodou, ve které jsou vzory statických tvarů porovnávány s již existujícími prototypy.
Sledování pohybu člověka lze provádět ve dvou nebo třech dimenzích. V závislosti na složitosti analýzy se reprezentace lidského těla pohybuje od základních panáčků po volumetrické modely. Sledování závisí na shodě funkcí obrazu mezi po sobě jdoucími snímky videa, přičemž se berou v úvahu informace, jako je poloha, barva, tvar a textura. Detekci hran lze provést porovnáním barev a/nebo kontrastu sousedních pixelů, přičemž se konkrétně hledají nespojitosti nebo rychlé změny. Trojrozměrné sledování je v zásadě totožné s dvojrozměrným sledováním s přidaným faktorem prostorové kalibrace.
Pohybová analýza částí těla je v lékařské oblasti kritická. Při posturální analýze a analýze chůze se používají úhly kloubů ke sledování polohy a orientace částí těla. Analýza chůze se také používá ve sportu k optimalizaci sportovního výkonu nebo k identifikaci pohybů, které mohou způsobit zranění nebo napětí. Sledovací software, který nevyžaduje použití optických značek, je zvláště důležitý v těchto oblastech, kde použití značek může bránit přirozenému pohybu.
Analýza pohybu ve výrobě
Analýza pohybu je také použitelná ve výrobním procesu. Pomocí vysokorychlostních videokamer a softwaru pro analýzu pohybu lze monitorovat a analyzovat montážní linky a výrobní stroje za účelem zjištění neefektivnosti nebo závad. Výrobci sportovního vybavení, jako jsou baseballové pálky a hokejky, také používají vysokorychlostní videoanalýzu ke studiu dopadu střel. Experimentální nastavení pro tento typ studie obvykle používá spouštěcí zařízení, externí senzory (např. Akcelerometry , tenzometry), moduly pro sběr dat, vysokorychlostní kameru a počítač pro ukládání synchronizovaného videa a dat. Software pro analýzu pohybu vypočítává parametry jako vzdálenost, rychlost, zrychlení a úhly deformace jako funkce času. Tato data jsou pak použita k návrhu zařízení pro optimální výkon.
Další aplikace pro analýzu pohybu
Možnosti detekce objektů a vlastností softwaru pro analýzu pohybu lze použít k počítání a sledování částic, jako jsou bakterie, viry, „iontové polymerní kovové kompozity“, polystyrenové kuličky velikosti mikronů, mšice a projektily.